4月30日，榮獲2025年度中國青年五四獎?wù)碌哪暇┐髮W(xué)物理學(xué)院教授杜靈杰剛從北京回到南京，就一頭扎進(jìn)他在南京大學(xué)鼓樓校區(qū)唐仲英樓的量子極端測量實驗室。去年3月，他和團(tuán)隊在人類歷史上第一次為引力子“畫像”，那篇發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上的論文，就在這里誕生。
愛因斯坦曾基于廣義相對論提出，劇烈的天體活動會帶動周圍的時空產(chǎn)生波動，也就是引力波。近年來，隨著引力波被多座國際大科學(xué)裝置探測證實，這一概念已為大眾熟知。引力子源于廣義相對論與量子力學(xué)的交叉領(lǐng)域，不少理論物理學(xué)者認(rèn)為，如果引力子確實存在，意味著廣義相對論和量子力學(xué)能夠被統(tǒng)一，人類文明將翻開新的一頁。
杜靈杰研究的，就是凝聚態(tài)系統(tǒng)中的“分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子”?！拔覀兩钪械墓腆w、液體，都屬于凝聚態(tài)。理論推測，‘分?jǐn)?shù)量子霍爾液體’這種凝聚態(tài)物質(zhì)中，引力子可能以準(zhǔn)粒子的形式涌現(xiàn)?！倍澎`杰說，“這種‘分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子’表現(xiàn)為集體模式激發(fā)，也稱為‘引力子?！蛞ψ蛹ぐl(fā)，就像寧靜的湖面上突然激起不可勝數(shù)的漣漪?！?span style="display:none">78I即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
引力波探測器動輒數(shù)公里長，研究的是黑洞合并等宏觀事件。相比之下，杜靈杰用來尋找“分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子”的實驗裝置只有兩層樓高，而且研究的是逼近絕對零度的微觀世界，正如古語所言，致廣大而盡精微。
在海外留學(xué)期間，杜靈杰的研究方向并不是引力子。2019年上半年，他意外觀察到一種全新的光學(xué)集體激發(fā)。理論物理學(xué)界認(rèn)為，這可能就是他們一直在尋找的“分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子”。但測量方案要求，實驗溫度不能高于零下273.1℃。換言之，儀器設(shè)備與絕對零度的溫差，必須控制在0.05℃以內(nèi)。
彼時，杜靈杰已經(jīng)確定回母校南大任教，告別國外的合作者，也告別國外完善的實驗環(huán)境?；貒蟮亩澎`杰，面對的是一張白紙，他必須從零起步，自主搭建實驗設(shè)備。
獲取實驗必需的液氮殊為不易，杜靈杰被迫改變技術(shù)路線；南方潮濕的環(huán)境會折損激光效果，他和團(tuán)隊只能反復(fù)調(diào)試……轉(zhuǎn)眼就是三年。
沖刺的時候到了。“2022年12月17日，我把自己關(guān)在房間里，回顧了所有實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)天下午，我找到了那個最有可能是引力子激發(fā)的微弱信號?！备鶕?jù)這個信號，杜靈杰和團(tuán)隊最終如愿測量到自旋為2的引力子激發(fā)。“大家很興奮，很快把論文投給了《自然》?！?span style="display:none">78I即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
面對如此重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，審稿專家謹(jǐn)慎地提出，需要更具決定性的實驗證據(jù)。杜靈杰回憶，2023年7月，在西班牙圣塞巴斯蒂安舉行的一場國際會議上，曾有權(quán)威物理學(xué)者問他：引力子激發(fā)的自旋為2，那是不是所有自旋為2的激發(fā)，都是這種引力子呢？
就好比黑夜里的一瞬亮光，憑什么說那有一個人擦亮了火柴，也許是一只螢火蟲。
物理學(xué)界的謹(jǐn)慎有其原因，當(dāng)時國外曝光了多起所謂“科學(xué)大發(fā)現(xiàn)”，均被迅速證偽。
夏日的圣塞巴斯蒂安號稱擁有“歐洲最美沙灘”，但杜靈杰毫無心情欣賞?！爸桓杏X眼前都是烏云。”他閉關(guān)想了很久，“越是重大成果，越要無懈可擊，作為科研人員，我們必須正視問題，實事求是，小心求證。”
但要獲得決定性的證據(jù)，就得設(shè)計新實驗，以測得動量更小的激發(fā)。
正當(dāng)杜靈杰為又要升級設(shè)備犯愁時，他忽然發(fā)現(xiàn)，與國外同仁的液氮路線相比，回國后自主搭建的設(shè)備，恰好規(guī)避了液氮的短板，稍加改進(jìn)就能解決問題。
“很多看似‘無心插柳’的突破，本質(zhì)上源于‘從0到1’的原始創(chuàng)新?！彼锌?。
2024年1月，杜靈杰再度受邀參加低溫物理國際會議。這次，他展示了在砷化鎵量子阱中觀察到的新證據(jù)，從自旋、動量、能量三個角度，充分回應(yīng)了此前的質(zhì)疑。
聽到臺下的掌聲，杜靈杰明白，這幅為引力子所作的“畫像”，已得到與會專家的普遍認(rèn)可。這一成果在《自然》發(fā)表后，還入選了2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”和“兩院院士評選2024年中國十大科技進(jìn)展新聞”。
目前，在量子極端測量實驗室，這支平均年齡只有25歲的青年師生團(tuán)隊正向一種新的量子物態(tài)發(fā)起攻堅，如果成功，將為實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎銙叱P(guān)鍵障礙。
回顧自己的科研歷程，杜靈杰說：“當(dāng)初選擇出國，就是為了有朝一日回國效力?，F(xiàn)在我們應(yīng)當(dāng)瞄準(zhǔn)最前沿、引領(lǐng)新方向，努力拿出新成果，拓展認(rèn)知邊界、推動學(xué)科突破?！?span style="display:none">78I即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
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